兩擋變速器在純電城市物流車上的應(yīng)用分析

郭海保 方志勤 朱丹丹

摘 要：根據(jù)某款純電城市物流輕卡的整車性能目標(biāo)，分別匹配大扭矩電機(jī)直驅(qū)方式和小扭矩電機(jī)+兩擋變速器，對(duì)匹配兩種動(dòng)力總成的車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析，最后將性能、成本和重量等方面進(jìn)行對(duì)比分析，得出結(jié)論：兩擋變速器在成本、重量、爬坡能力方面有明顯優(yōu)勢(shì)，在經(jīng)濟(jì)性方面與直驅(qū)相當(dāng)，但在駕駛感受方面表現(xiàn)不佳。

關(guān)鍵詞：純電;物流車;兩擋變速器;性能

中圖分類號(hào)：U469.72 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）21-11-03

Abstract： According to the performance goals of a pure electric city logistics truck， it is matched with the high-torque motor direct drive mode and the small-torque motor+two-gear transmission， which is dynamic and economical for vehicles that match two power assemblies Carry out a simulation analysis of the performance， and finally compare and analyze the performance， cost and weight， and conclude that the two-gear transmission have obvious advantages in terms of cost， weight， and climbing ability. They are economically equivalent to direct drive， but they are driving Poor performance.

Keywords： EV; Logistics Turk; Two-gear transmission; Performance

CLC NO.： U469.72 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-11-03

1 前言

近年來(lái)，國(guó)家對(duì)新能源汽車的大力推廣，使得純電汽車發(fā)展越來(lái)越快，尤其是純電輕卡商用車在城市短途物流的應(yīng)用越來(lái)越廣。目前對(duì)于純電輕卡物流車，大多采用大扭矩電機(jī)加大速比后橋的直驅(qū)方式，針對(duì)純電動(dòng)車是否需要配變速器一直觀點(diǎn)不一[1]。本文對(duì)兩擋變速器在某4.5t純電輕卡上的匹配分析，從性能、重量、成本等方面與現(xiàn)有直驅(qū)方式進(jìn)行對(duì)比，論述其優(yōu)缺點(diǎn)。

2 整車參數(shù)及性能目標(biāo)

2.1 動(dòng)力總成相關(guān)參數(shù)的確定

根據(jù)整車的相關(guān)參數(shù)和性能目標(biāo)要求確定兩擋動(dòng)力總成的相關(guān)參數(shù)

2.1.1 峰值轉(zhuǎn)速

基于整車最高車速，應(yīng)用下列式計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速：

式中：Vmax：整車最高車速，單位（km/h）;r：車輪滾動(dòng)半徑，單位（m）;nmax：電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速，單位（r/min）;i：傳動(dòng)系速比。

2.1.2 功率

應(yīng)用下列式計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率：

式中：pem：驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率，單位（kw）;Ttq：整車最高車速時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩，單位（Nm）。

基于全負(fù)荷加速時(shí)間，應(yīng)用下列公式計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率：

式中：pem_max：驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率，單位（kw）;η：傳動(dòng)系效率;m：整車質(zhì)量，單位（kg）;f：道路滾動(dòng)阻力系數(shù);ua：車速，單位（km/h）;CD：風(fēng)阻系數(shù);A：迎風(fēng)面積，單位（m2）;δ：汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);：行駛加速度，單位（m/s2）。

2.1.3 峰值扭矩

基于整車最大爬坡度，應(yīng)用下列公式計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值扭矩：

式中：Tmax：驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值扭矩，單位（Nm）;α：坡度角，單位（°）。

2.1.4 兩擋變速器參數(shù)確定

此次所匹配的兩擋變速器是以兩擋AMT形式，以AMT形式，取消離合器，采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速，換擋電機(jī)驅(qū)動(dòng)撥叉和滑套的換擋方式。采用該種結(jié)構(gòu)主要是考慮其在同類型自動(dòng)變速箱中效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，重量輕。

目前純電動(dòng)汽車大多采用交流永磁同步電機(jī)，這種類型電機(jī)具有基速以下恒扭矩輸出，基速以上恒功率輸出的特點(diǎn)，其特性與車輛驅(qū)動(dòng)特性相似。下式為電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)力公式：

式中：Fd：車輛驅(qū)動(dòng)力，單位（N）;Tm：電機(jī)輸出扭矩，單位（Nm）。

車輛在巡航和最高車速工況下，需考慮驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力的平衡點(diǎn)。一般情況下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在基速附近具有很高的效率，因此在設(shè)定速比時(shí)，車輛在巡航工況運(yùn)行時(shí)電機(jī)工作在基速附近，驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速時(shí)，變速箱速比應(yīng)滿足車輛最高車速要求[2]。

在滿足車輛基本性能要求時(shí)，還需考慮車輛在最大牽引力時(shí)車輪不打滑：

式中：N：地面法向反力，單位（N）;μ：地面附著系數(shù)。

整車換擋過(guò)程主要包括五個(gè)階段：電機(jī)降扭、變速器摘擋、變速器升/降速、變速器進(jìn)檔、電機(jī)增扭，故兩擋變速器階比對(duì)換擋性能和控制有直接關(guān)系。階比過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)調(diào)速時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，換擋沖擊大，階比過(guò)小，電機(jī)在高效區(qū)時(shí)車速范圍窄，經(jīng)濟(jì)性較差[3]。為了盡可能滿足換擋舒適性，保證整車經(jīng)濟(jì)性，一二檔階比一般滿足：

式中：i1：1擋速比;i2：2擋速比。

根據(jù)公式（1）（2）（3）（4）可以確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本參數(shù)，根據(jù)公式（5）（6）（7）可確定變速器速比，由此可得兩擋動(dòng)力總成基本參數(shù)[4]。見(jiàn)表2：

3 性能仿真與結(jié)果分析

整車性能仿真采用AVL公司的Cruise軟件進(jìn)行建模與仿真，為了使仿真結(jié)果更加接近實(shí)際情況，仿真的相關(guān)整車參數(shù)以及制動(dòng)能量回收的相關(guān)策略，均來(lái)自現(xiàn)有直驅(qū)實(shí)車數(shù)據(jù)。

由表3仿真結(jié)果可以得知，該車匹配兩擋動(dòng)力總成比匹配直驅(qū)動(dòng)力總成在最高車速提升20%，0-50km/h加速提升17.7%，爬坡性能提升了34.4%，起步加速以及最大爬坡度上的提升，主要原因是兩擋箱在一擋采用較大速比，提升動(dòng)力總成輸出扭矩;二檔可采用較小速比提升車輛最高車速能力，但在中段加速過(guò)程中，由于匹配為AMT形式變速器，換擋過(guò)程中的電機(jī)升降扭調(diào)速和進(jìn)出擋時(shí)間將近1.5秒，故中段加速較直驅(qū)差。

經(jīng)濟(jì)性方面，以C-WTVC工況為例，滿載情況下，等速能耗降低了1.3%，主要是兩擋箱可以可以調(diào)節(jié)電機(jī)的工作范圍，使電機(jī)盡可能的工作在高效區(qū)域，使得能耗降低。C-WTVC工況下電機(jī)工作區(qū)間見(jiàn)下圖2和圖3。

整車開(kāi)發(fā)過(guò)程中，不能僅僅考慮性能，還需考慮成本，

重量。由表3可知，相比直驅(qū)，兩擋動(dòng)力總成在成本方面降低16.7%，重量方面降低22.2%。主要原因是，對(duì)于商用車而言，需求扭矩較大，而采用變速器可大幅降低電機(jī)扭矩需求，從而降低電機(jī)質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）4.5t純電輕卡上匹配兩擋變速器在動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性，以及成本和重量上均有優(yōu)化，這對(duì)廠家應(yīng)對(duì)法規(guī)的電耗要求，整車輕量化以及滿足客戶對(duì)超載能力的需求均有很好效果。

（2）純電車匹配變速器目前主要難題是如何解決變速器所帶來(lái)的重量、效率、成本、舒適性等問(wèn)題。

（3）伴隨著新能源汽車的大力推廣及節(jié)能減排相關(guān)法規(guī)的要求，輕卡及載重更大車輛匹配變速器會(huì)成為趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 姬芬竹，高峰，周榮.純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系參數(shù)匹配的研究[J].汽車科技，2005（6）：22-25.

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